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RNA的结构与功能

RNA的结构与功能

摘要

RNA是所有生物体和生物细胞完成遗传和更新使命的不可或缺的物质，生物学界和医学界也在一直不断的探索，由于RNA是细胞内蛋白质合成的中间物质，那么就可以以这个为切入点，通过抑制RNA的转录或者与它有关的一些酶的活性，可以达到治疗某些疾病的目的。

通过对RNA的结构、功能、分类、研究历史及进展，近而研究RNA在蛋白质合成过程中的具体作用，包括从遗传物质DNA到RNA的转录过程，以及RNA翻译为蛋白质的过程。

最重要的是RNA干扰技术的应用，通过使某些特定的基因沉默，从而达到抑制蛋白质合成的目的。

关键词RNADNA转录蛋白质的翻译

TheStructureandFunctionofRNA

Abstract

RNAistheindispensablematerialofalllivingorganismsandbiologicalcellstocompletethegeneticandupdatemission,biologistsandthemedicalprofessionalsohascomtinuedtoexplore,RNAisproteinsynthesisintermediates,thenyoucanuesthisasacutpoint,throughtheinhibitionofRNAtranscriptionorenzymeactivityitcanachievethepurposeoftreatmentofcertaindiseases.ByRNAstructure,function,classificationandstudyofhistoryandprogressofthepaststudiesofthespecificroleofRNAintheproteinsynthesis,includingtheprocessfromthegeneticmaterialfromDNAtoRNAtranscription,andtranslationfromRNAtoprotein.ThemostimportantistheapplicationofRNAinterferencetechnolog,bymakingcertainspecificgenesilencing,therebyinhebitingproteinsynthesis.Keywords:

RNADNAtranscriptionProteintranslation

前言

1.RNA的简要概述

1.1RNA的概念……………………………………………………………………………………

（1）

1.2RNA的分类及其作用……………………………………………………………………

（1）

1.2.1信使RNA（mRNA）…………………………………………………………………

（1）

1.2.2核糖体RNA（rRNA）………………………………………………………………

（1）

1.2.3转运RNA（tRNA）…………………………………………………………………

（1）

1.3RNA的研究历史及发展前景………………………………………………………………

（2）

1.4RNA的空间结构…………………………………………………………………………………（7）

1.4.1mRNA的空间结构。

………………………………………………………………（8）

1.4.1.1帽子结构………………………………………………………………（8）

1.4.1.2多聚A尾结构…………………………………………………（8）

1.4.2tRNA的空间结构…………………………………………………………………（8）

1.4.2.1tRNA的一级结构特点……………………………………………（9）

1.4.2.2tRNA二级结构特点………………………………………………（9）

1.4.2.3tRNA的三级结构特点…………………………………………（10）

1.4.3rRNAR的空间结构………………………………………………………………（10）

1.5RNA的提取方法………………………………………………………………………………（11）

1.5.1RNA的分布…………………………………………………………………………（11）

1.5.2RNA的提取方法及原理………………………………………………………（11）

1.5.2.1样本前的处理………………………………………………………（11）

1.5.2.2细胞的裂解…………………………………………………………（12）

1.5.2.3RNA的纯化及获得………………………………………………（12）

1.6在哺乳动物中RNA与DNA的异同……………………………………………………（12）

2.本论文研究的内容——生物信息的传递【1】

2.1RNA的转录11………………………………………………………………………………（13）

2.1.1转录的基本过程…………………………………………………………………（13）

2.1.2转录机器的主要成分……………………………………………………………（15）

2.1.2.1RNA聚合酶…………………………………………………………（15）

2.1.2.2转录复合物…………………………………………………………（15）

2.1.2.3启动子…………………………………………………………………（15）

2.2启动与转录的起始…………………………………………………………………………（15）

2.2.1启动子区的识别…………………………………………………………………（15）

2.2.2酶与启动子区的结合…………………………………………………………（16）

2.3蛋白质的翻译…………………………………………………………………………………（16）

2.3.1遗传密码─三联子…………………………………………………………………（17）

2.3.2肽链的延伸……………………………………………………………………………（17）

总结…………………………………………………………………………………………………………（18）

谢辞…………………………………………………………………………………………………………（19）

参考文献…………………………………………………………………………………………………（20）

前言

RNA（ribonucleicacid）广泛存在于原核生物和真核生物的细胞质以及真核生物细胞的某些细胞器（如线粒体、高耳基体）中。

RNA噬菌体和RNA病毒中的遗传信息的载体是RNA。

生物体RNA含量的多少与生物进化水平的高低有关，高等生物体内所含的遗传信息多，那么RNA的数量也就会比较多。

生物体内RNA的含量根据生理遗传需要而有所不同，例如有些细菌需要不断适应外部环境，其体内编码某些诱导酶的mRNA的含量就比较多，人类癌细胞繁殖的速度快，那细胞内所含的与合成相应蛋白质所对应的RNA也会比较多。

目前科学家己经对RNA的结构组成和功能有了比较详细的了解，相信随着科学家们对RNA的逐步深入探索，可以使基作为抑制蛋白质合成的靶点，从而使癌细胞以及一些其它的肿瘤细胞的分裂得到有效的抑制。

1.RNA的简要概述

1.1RNA的概念

RNA是核酸的一类物质，是由核糖核苷酸通过3′、5′端的磷酸二酯键经一系列的缩合作用而形成的长链分子。

在很多病毒中，RNA是其唯一的遗传信息的载体，在某些RNA病毒中，RNA就是它的遗传物质，而在所有的哺乳动物中，RNA是合成蛋白质不可或缺的物质。

1.2RNA的分类及其作用

在生物体内有很种不同的RNA分子，在大多数的生物体内主要有三种，它们分别是信使RNA（messagerRNA，mRNA）、转运RNA（transferRNA，tRNA）和核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）。

它们对于基因的表达和转录起着至关重要的作用。

1.2.1信使RNA（mRNA）

在以往的认识中，DNA是直接决定蛋白质合成的物质，因为，遗传信息主要是存在于位于胞核内染色体上的DNA中的，然而研究发现，蛋白质的合成环节并不是在细胞核内，相反是在细胞核外细胞质中的核体内进行的，那这样推断开来，位于DNA碱基序列上的遗传物质关不能直接的连接到蛋白质合成的过程中，它们之间没有直接的联系，那蛋白质的合成过程是怎以样的呢，早在18世纪五十年代，科学家们就一直在研究着这一问题，最终证明：

这种合成过程是要通过一种特定的RNA来传递DNA上的遗传信息给蛋白质上的氨基酸序列的，这种物定RNA就是现在所说的信使RNA（messagerRNA，mRNA），这种RNA起着传递遗传信息的作用，它能够记录DNA上的碱基序列，然后再把它们准确的转录下来，这样遗传信息就被保留了下来，经过一定的过程这些遗传信息被带到细胞质中的核糖体上，由于不同的蛋白质一的氨基酸是有一定的排列顺序的，这种顺序的排列就要由mRNA一的碱基序列来决定了。

经过这样的过程，带有DNA上遗传物质特性的蛋白质就合成了，它的外在性状依然是原来DNA所控制的，在这个过程中，也就是DNA的转录前，每条mRNA的链中的所有编码序列并不能都被用于决定氨基酸的排列，而这种用于编码的序列相对的还比较少，只有大约四分之一左右的才有这样的功能，其它四分之三的部分则是属于非编码序列了【1】，经过这些过程后，再最后合成蛋白质。

1.2.2核糖体RNA（rRNA）

核糖体的主要组成成分就是核糖体RNA了，而且这种核糖体RNA分子一般都不是单独游离于核糖体内的，它们中的大多数都是与核糖体内的蛋白质结合在一起的，也只有这样，所形成的物理结构才会符合能量最低的原理，从而形成稳定的核糖体。

。

在原核生物和在真合生物细胞中所含的RNA还有很大的不同，同时它们的种类也有很大的不同，在真核生物结胞内的核糖体RNA大概有四种，它们所含的核苷酸数量也是不等的。

在原核生物的细胞内，核糖体RNA一般有三种，它们是通过一种沉降系数来区分的，可以用超速离心的方法来测定一个核糖体RNA分子的沉降速度，这个速度也和沉降系数有极大的关系，同是还与粒子的半径存在一定的比例关系【1】。

在真核生物中，在高倍的电子扫描隧道显微镜下观察，如果将核体内部分核糖体RNA从其上剥离的话，那核糖体的整体结构就会发生一定的变化，而且还会发现，某一种核糖体RNA（16S）的一端是与信使RNA的一端互补的，这样的结合的目的是为了信使RNA更准确的传递遗传信息。

1.2.3转运RNA（tRNA）

通过上面的说明，我们都知首核糖体才是蛋白质的合成场所，而mRNA是DNA与蛋白质之间的中间使者，那它们之间是怎么样相互传递的呢，因为合成蛋白质的各种氨基序列与mRNA上的碱基序列是不能直按就挨在一起的，所以仅靠mRNA本身也是不能独立完成的，这时就急需一种物质把这些氨基酸原材料运输到核粮体上，这样才能让其与mRNA完美的结合，这种物质就是我们所说的转运RNA（tRNA）,tRNA的存在能够使合成蛋白质的20种氨基酸和mRNA的碱基之间产生一种结合作用所必须的结合力，tRNA的种类也有很多，现在知的有40多种。

此外，还有一种RNA，它相对以上三种RNA所起的作用在蛋白质合成过程中经常容易被忽略，它就是小核RNA（snRNA），小核RNA是真核生物转录后的加工过程中所产生的RNA剪接体的主要成分。

另外，还有一些与染色体尾端的复制有关的端体酶RNA；以及可以参与调控基因表达的反义RNA；作为rRNA的加工和修饰的小核仁RNA（snoRNA）；作为蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分的小胞质RNA（scRNA/7s-RNA）等等。

1.3RNA的研究历史及发展前景

1.3.1早期的RNA是在19世纪的80年代也就是20世纪初，首先解决了核酸的组成和核苷酸的结构。

1869年瑞士著名的生物学家迈斯彻（Miescher）为了研究细胞核的化学成分，在其中发现了酸性的含磷化合物，并将其命名为核质，这种物质实质上是含蛋白质的核酸制品。

1889年的时候，科学家R.Altmann将这种混杂的化合物纯化从而得到了不含蛋白质的核酸制品，称为核酸。

到了1893年，A．Kossel经过大量的实验研究加上前人的经验，认识到染色质是由核酸和蛋白质组成的，认为核质与新遗传组织的形成有很大的关联。

但是，当时的学术观念认为生命的一切活动是由蛋白质来主导的，这位伟大的科学家也未能跳出这样思想的束缚，没有真正的认识到核质就是我们后来所说的遗传物质，没有继续从事自己的研究，并在1905年将他的研究方向改为了细胞核中的碱性蛋白质，从而遗憾的使核酸的研究停滞几十年。

1.3.2直到20世纪的五六十年代，RNA的发展非常的快速，并在这一期间提示了RNA的翻译功能，而且也发现了MRNA,RRNA和TRNA,从而也破译了遗传密码。

1944年美国的生物学家Avery、Macleod和Mccarty发表了很具影响力肺炎双球菌转化实验结论：

并且证明了蛋白质不是真正的遗传物质，DNA才是遗传信息的载体。

1953年，watson与Crick共同提出了DNA分子的双螺旋结构假说，为分子生物学奠定了基础，否定了“生命世界是蛋白质”的理论。

1958年，Crick提出著名的中心法则，其核心是：

生命世界的主导物质是DNA和蛋白质，该法则一直被生化界利用20多年，一直误导人们对真核生物的真正理解，直到20世纪末，断裂基因的发现改变了这个结论。

1.3.320世纪50年代中期后的10年间，是RNA研究的一个黄金时期。

1961年Crick证明了在每条DNA长链中的碱基是分组的，每组都含有三个碱基；1957年Zemecnik发现了tRNA；1959年rRNA也被相继的发现了；1961年法国的Monod和Jacob假定了mRNA的存在；1965年测出了第一个核酸（酵母丙氨酸tRNA）的一级结构；Khorana人工合成了遗传密码；Nirenberg建立了核糖体和蛋白质的结合技术，这咱合成是非细胞下完成的。

具有很大的历史意义；1966年破译了遗传密码子，使RNA的发展进入了一个相对比较完善的时期。

1.3.4突破“中心法则”

到了20世纪70年代的后期和20世纪末21世纪初期，科学家们又积累了许多新的发现，这其中包括调控RNA，人类基因组计划，还有对基因组的研究，人们对这些新发现的研究，表明了人类不断突破旧观念的过程，也正因为这些成果，也使们们对于遗传界的研究向前迈进的一大步。

1.3.520世纪80年代，RNA催化和调控功能的提示。

1981年，T．Cech发现某种RNA是可以作为一种催化剂来使用的，当然这咱催化剂要在一定的生物体内才会起作用，它也因此将具有这种催化用化学本质的RNA命名为核酶。

之后，s．Altman证明体外转录的核糖核酸酶内的RNA，也具有一定的催化作用。

核酶的这一发现，打破了统治生化界超半个世纪的理论，更正并阐明了：

酶就是一种蛋白质。

这个结论也有助于人们探索生命从起源到发展过程中存在的长期争论而没有结论的难题，这一个难题就是之前前人提出的是先有蛋白质还是先有核酸？

科学家们也在这一时期总结了出了生物高分子的化合物总共有三种：

分别是DNA、RNA和蛋白质。

DNA是携带遗传信息的物质，但是我们平时看到的摸到的外在表现性状并不是它，而是蛋白质分子，DNA的复制也要有一定的中间物质作为催化剂才能够完成；蛋白虽然可以作为外在性状表现的分子，但是又不能自我控制自我的性状，只能通过DNA来控制它的活动；而RNA，既能够携带遗传信息，又能够作为功能分子，有些甚至自身就能够完成自我复制。

因此，科学家们大胆推测：

RNA是最先能够进行自我复制活活的，这种活动可能从生命起源的时候就开始了，因此它也是作为遗传物质出现在那个时候的。

此后的30年，人们对RNA研究取得了突破性的进展，一些新的发现突破了“中心法则”束缚，对RNA的探索的脚步也在不断的向前迈进。

从DNA这种我们认为的最基础的遗传的开始，到我们外在的表现性状，这种种的过程无疑就是遗传的一个过程，这个过程看似条理清析，但实际过程的复杂性完全超乎我们的想像。

到了1989年，Gilbert提出了RNA世界的假说，第一次将RNA摆在了早期生命进化的中心位置；Uhlembeck教授于1990年提出了“20世纪90年代将是RNA的研究最活跃时期”，此后，正如教授所假定的一样：

RNA新的种类、新的功能和新的作用机制不断的被探索和发现。

1999年到2000年，通过大量的研究证明了蛋白质不可能作为催化肽键形成化合物，而这种催化物只能是rRNA。

1.3.6RNA干扰

1.3.6.1RNA干扰的发现

正是生物学界对RNA的不断探索与研究，1990年，科学家给矮牵牛花的某些细胞内注入了一种基因，这种基因具有催生红色素的功能，目的是想让花的颜色更鲜艳，但是结果确和预想的完全不同，实验用的花朵全部变为了白色，这样类似的实验科学家们也做了很多，但是几年间一直没有人能够解释这一现象，直到1998年，美国的安德鲁·法尔和克雷格·梅洛基于此实验大胆的提出了假设，出现这种奇怪现象的原因是由于生物体内控制这一性状的某种基因的作用被抑制了，这种特定的物质可以使特定的基因工作或者抑制，也可以使其生命活动变活跃或者微弱。

这种使生物细胞内某些特定基因被抑制的机制就是RNA的干扰（RNAi），RNA的干扰作用是使控制蛋白质合成过程中的某些特定RNA碱基序列（也称为靶基因）被降解，这样就使得这些靶基因决定的氨基酸序列无法表达，或者表达出错误的信息，从而阻断相关蛋白质的合成。

这也就达到了干扰的目的。

1.3.6.2RNA干扰的作用机制

RNA的干扰作用机制，就是用一种能够将细胞中的双链RNA分段成多个部分的小片段，大多数情况下，我们用到的这种酶叫活性核酸酶，一般在干扰机制中选用迪色酶，它可以将正常的RNA分解成24个RNA双链小片段，这样下来，就干扰了mRNA中的碱基序列指导氨基酸的顺序，还有就是一些互补区域的缺失加之核蛋白诱导基因的沉默，从而实现了干扰正常基因的表达功能【6】。

如图7所示：

一般情况下，我们向生物细胞内注入的活性酶物质肯定是少量的，它的分子量只是细胞内相应核苷酸的千分之几甚至万分之几，但是这种起诱导作用的酶所起的作用是可以被放大很多倍的，因为他们是循环作用于细胞内相应的RNA链的，这样就可以达到我们所说的使全部相应的基因无法完成表达功能。

1.3.6.3RNA干扰技术的应用前景

RNA的这一干扰技术的发现也开启了对RNA研究的新的领域，科学家认为，ＲＮＡ的这种干扰机制不仅可以作为研究特定基因功能的一种工具，相信在不久的将来，这种干扰机制一定可以用于治疗现在医学上无法治攻克的一些重大疾病，就像现在困扰人们的癌症和艾滋病等等，并且可以从根源上治愈它们。

其实现在己经有利用这一技术治愈肝炎的实例了，只是不是人类的肝炎而是实验小鼠的。

这种干扰技术一旦发展成熟，将在各个领域都有所作为，目前为止，RNA干扰技术主要是应用于基因功能研究或基因治疗及药物筛选等。

在医学上的基因治疗方案，一般选用的都是传统的基因敲除技术，但是这种方法有很多不足之处，可操作性不如这种基因干扰技术强，效果也相比干扰技术不明显，作用也不如干扰技术的效果快。

所以干扰技术是我们为一些疾病开辟新途径的必然选择。

1.4RNA的空间结构

RNA是由核糖核苷酸经磷酯键缩全而形成的分子，单个的核糖核苷酸分子是由一分子的磷酸、一分子核糖和一个碱基所构成的，其中碱基主要有四种，分别是腺嘌呤（A）其结构如下（图1.1a）；

a：

腺嘌呤（A）

鸟嘌呤（G），其结构如下图1.1b所示；

b：

鸟嘌呤（G）

胞嘧啶（C），其结构图如下1.1c所示；

c：

胞嘧啶（C）

尿嘧啶（U），如下图1.1d所示：

d：

尿嘧啶（U）

图1.1：

四种碱基的结构

由它们组成的核苷酸分别称为，腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。

这里重点要提一下尿嘧啶，尿嘧啶是RNA区别与DNA的一个具有特征性碱基，那么这几种化学物质是怎样构成核糖核苷酸的呢？

和DNA的结构图区别是什么呢？

（如图1.2）

图1.2：

核糖核苷酸链，脱氧核糖核苷酸链

核糖和碱基之间的连接，一般都是1号C原子上的一个氢被含氮碱基所代替，这样的结构是相对比较稳定的

1.4.1mRNA的空间结构。

总的来说，作为蛋白质合成的模板，一般我们看到RNA的就只是这样的一个整体结构，如图1.3所示：

图1.3：

真核生物mRNA的结构

除此之外mRNA还有很多的衍生结构，一般在生物体中最重要的有两种大体结构。

1.4.1.1帽子结构：

就是在转录完成后，在加工的过程中，会在磷酸的5-端加上7甲基三磷酸鸟苷，并且会在排列在第二位的核苷酸C2上甲基化（m7GpppNm）。

这样的结构是可以增加其RNA的稳定性的，其结构图如图1.4所示：

图1.4mRNA的帽子结构

1.4.1.2多聚A尾结构

所谓的多聚尾结构，即是在真核生物细胞中的mRNA的一端经转录后，再加上一段长短不完全相同的聚腺苷酸组成的。

1.4.2能特异性解读信使RNA中的遗传信息、并作为将遗传信息转化为相应的氨基酸后加入多肽链中的tRNA的空间结构

tRNA的结构有很多种，其中分为一级结构和二级结构，可能有的还有三级结构，因为种类繁多，不能够一一的列举出来，只能阐述他们的结构特点。

1.4.2.1tRNA的一级结构特点：

这类RNA所含的核苷酸数在70个到90个左右；第二个就是含有的稀有碱基可能会较多；最后一个就是3端均为CCA—OH。

如图1.5所示：

图1.5：

tRNA的一级结构

1.4.2.2tRNA二级结构特点：

形状类似于三叶草形，如图1.6所示：

图1.6：

tRNA的二级结构

1.4.2.3tRNA的三级结构特点：

类似于倒L形状，如图1.7所示：

图1.7：

tRNA的三级结构

1.4.3rRNA的空间结构

这类RNA能够直接参与核糖体中蛋白质的合成，由于其结构种类也特别多而且复杂，我们只列出其中的一个二级结构，如图1.8所示：

图1.8：

tRNA的一个二级结构

1.5RNA的提取方法

1.5.1RNA的分布

我们都知道在哺乳动物也就是真核生物的细胞中，RNA大多位于细胞质中，但各个部位细胞中所含的RNA数目确是不同的，首先在同等组织试样下，RNA含量最多的就是肝脏、脾脏和心脏三个部位；RNA含量较低的部位刚是，膀胱、骨和脂肪；大脑、胚胎、肾脏和肺部的细胞所含的RNA的数量位于前两者之间。

1.5.2RNA的提取方法及原理

包括样本前的处理、细胞裂解和RNA的纯化及获得。

1.5.2.1样本前的处理

样本前处理要注意的是选择不得超过4个小时的新鲜血液，如果选取的样本是组织，刚必须是生长旺盛的组织或是新鲜幼嫩的组织，若所选择的样本是细胞则选择处于生长旺盛时期收集的细胞，要将新鲜的血液进行红细胞的裂解，然后将得到的白细胞内加入一定量的TRNzol，在-70℃的温度下进行样品处理前的保存。

1.5.2.2细胞的裂解

要用固定的试剂